Motor quântico tem rendimento superior ao de motor convencional

Os avanços tecnológicos descortinam um futuro com máquinas cada vez menores e mais eficientes. Pesquisadores das Universidades Federais de Goiás (UFG) e de São Carlos (UFSCar) e do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) deram um importante passo nesse sentido ao demonstrar que um motor quântico é capaz de operar com um rendimento superior ao de um motor térmico convencional e de forma muito mais rápida.

Para compreender a descoberta, é preciso explicar o princípio da máquina de Carnot. No século XIX, o físico francês Nicolas Carnot (1796-1832) idealizou uma máquina térmica (que, na época, funcionava com o calor gerado pela queima de carvão) capaz de atingir o máximo rendimento possível. Só que esse rendimento é inversamente proporcional ao tempo empregado para o funcionamento da máquina, ou seja, o melhor rendimento possível só é atingido de forma muito lenta.

O princípio da máquina de Carnot é utilizado até hoje. A partir dele foi desenvolvido, por exemplo, o motor de combustão interna, utilizado na maioria dos carros. A invenção desse tipo de motor é creditada ao engenheiro alemão Nikolaus August Otto (1832-1891). Por isso, o ciclo termodinâmico que utiliza o gás proveniente da queima de um combustível para gerar energia mecânica é chamado de ciclo de Otto.

O que os pesquisadores fizeram foi testar esse princípio no contexto quântico. A mecânica quântica é um ramo da física cujo impacto maior se revela no estudo dos fenômenos relacionados a partículas atômicas e subatômicas. A conclusão foi a de que, nesse contexto extremamente pequeno, o rendimento pode ser superior ao de um motor convencional (que utiliza, por exemplo, o ciclo de Otto) e pode atingir o máximo rendimento possível (definido pela máquina de Carnot). E, ao contrário do princípio clássico, o rendimento desse motor quântico aumenta de acordo com a velocidade empregada.

CBPF

Laboratório do Centro Brasileiro de Pesquisas Física (RJ), onde o experimento foi realizado (Foto: Divulgação/CBPF)

“Conseguimos chegar a quase 100% de rendimento, que seria pegar todo o calor gerado por uma fonte de energia e transformá-lo em trabalho, e isso de forma muito rápida”, explica o pesquisador Rogério de Assis, doutorando em Física pela UFG. Seu orientador, o professor Norton Gomes de Almeida, acrescenta que, como nos motores convencionais o rendimento máximo só é atingido de forma muito lenta, chegar a esse pico não teria nenhuma utilidade prática. “É como se demorasse um ano para um carro andar um quilômetro”, exemplifica. Com o motor quântico, essa lógica é invertida.

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Os resultados da pesquisa, que faz parte da tese de doutorado de Rogério de Assis, foram publicados na prestigiada revista científica Physical Review Letters. Além de Rogério e Norton, assinam o trabalho Taysa Mendonça e Celso Villas-Boas, da UFSCar, e Alexandre de Souza, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, do CBPF, no Rio de Janeiro, onde fica o laboratório no qual o experimento foi realizado.

Especialista em termodinâmica quântica, o professor da UFG Lucas Céleri corrobora a descoberta. “O rendimento de um motor de Carnot é paradigmático e se encontra em todos os textos de física básica que tratam de termodinâmica. Esse modelo prevê um rendimento máximo somente quando o motor opera no regime quase estático, ou seja, com potência nula. Os autores mostraram que esse limite pode ser rompido”.

Norton Gomes

Professor Norton Gomes de Almeida, do Instituto de Física da UFG, orienta a pesquisa (Foto: Ana Paula Fortunato)

Temperatura negativa

O feito do grupo foi demonstrado calculando o rendimento do motor quântico a uma temperatura aparente abaixo do zero absoluto. O zero absoluto é definido na escala Kelvin e equivale a -273,15 graus Celsius. Seria a temperatura de menor energia possível. Os pesquisadores chegaram à conclusão de que, abaixo do zero absoluto, o rendimento do motor quântico é superior ao do motor convencional. Para o professor Norton, esses resultados abrem grandes possibilidades para aplicações tecnológicas, pois revelam que é possível ter um motor muito mais eficiente em diversas condições.

Como se trata de um estudo teórico e experimental, as aplicações práticas da descoberta ainda estão por vir. Os pesquisadores da UFG explicam que a tendência de miniaturização ao nível quântico já é uma realidade. A computação e a eletrônica, por exemplo, são áreas férteis para a aplicação dessas descobertas. “Não temos dúvida de que essas pequenas máquinas vão funcionar. Esse é o futuro”, afirma o professor da UFG.

 

Texto: Luiz Felipe Fernandes

Foto: Pixabay

Fonte: Jornal UFG

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